MEMS微机电系统总结_微机电系统mems综述

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一，简答题

1，微机电制造工艺及每种工艺的用途、技术特征或者步骤

微电子集成工艺是基础。此外，它们主要是体微加工技术、微表面加工技术、高深度比微加工技术、组装与键合技术、超微精密加工技术。

（1），体微加工技术是为制造三维结构而发展起来的，即按照设计图形在硅片上有选择的去除一部分硅材料，形成微机械结构。体微加工技术的关键技术是刻蚀，它包括干法和湿法刻蚀。

（2），表面微加工技术是以硅为基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，再把下层的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。表面微加工不同于体加工，它不对基片本身进行加工。在基片上有淀积的薄膜，它们被有选择的保留或者去除以形成所需的图形。表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。牺牲层的刻蚀是表面微加工的基础。表面微加工技术的步骤：首先在基片上淀积绝缘层和牺牲层，然后淀积结构层，经光刻得到微结构图形。对此进行湿法刻蚀，把牺牲层sio2去除，便可得到无支撑的微结构。（3），高深度比微加工技术

LIGA技术被认为是最佳高深度比的微加工技术，加工宽度为几微米，深度高达1000um.且可实现微器件的批量生产。该技术的优点是能制造三维微结构器件，获得的微结构具有较大的深度比和精细的结构，侧壁陡峭，表面平整，它是X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合。LIGA技术的主要工艺：X光掩膜制造、X光深度光刻技术和微铸电技术。(4).键合技术

上述工艺制造的微构件都是通过键合技术来制成微机械的器件，键合技术组要分为硅熔融键合和静电键合两种

2．微机电制造过程中常用的材料及其优缺点。陶瓷、金属、硅材料。常用的是硅。硅的优点？回答出主要特征。

根据应用场所，微机电系统的制作材料分为 微结构材料、微制动材料 和 微传感器材料。根据材料性能，微机电系统的制作材料分为 结构材料 功能材料

智能材料

MEMS 常用材料

 半导体材料：硅及其化合物等。

硅：特殊的晶体结构使其具有各项异性，通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。

储量丰富，成本低；材质的内含杂质极少，易于提纯，纯型硅的杂质含量可降至十亿分之一，因而本身的内耗少，力学性能稳定。硅材料质量轻，密度是不锈钢的 1／3.5。弯曲强度高，为不锈钢的3.5倍。硅的熔点高（1400），约为铝的两倍，高熔点使其具有良好的高温稳定性。硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。



  具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。

机械品质因数可高达 1000000，硅没有机械迟滞性能，是理想的传感器和致动器材料。

与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械和微电子线路集成；便于实现批量化生产。硅氧化物：掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡，促使电子流动加剧，导电性能得到提高。掺杂浓度越高，电阻率越低，越容易导电，多晶硅的特点

1、具有较宽的工作温度范围（－60度～＋300度）；

2、可调的电阻率特性；

3、可调的的温度系数；

4、较高的应变灵敏系数及容易调整。

5、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底上制作,而且可以更有效地抑制温度漂移，有利于长期稳定性的实现。电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等。

压电陶瓷：用于致动器和传感器元件的压电陶瓷，具有价廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快等优点。此外，它对结构的动力学特性的影响很小，并且通过分布排列可实现大规模的结构驱动，因而具有较强的驱动能力和控制作用。

由于压电陶瓷具有微小位移且精度高这一突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求，用作压电驱动器是比较理想的。压电陶瓷的极限应变小，目前还不能作为结构材料。具有较高的饱和磁致伸缩系数，即当磁化饱和时，材料沿磁化方向的伸缩比 较大，其值约为

微应变。磁致伸缩材料：镍铁合金等。

磁致伸缩材料在磁场中的伸缩量很小，可以用在微机电系统中作为驱动器（磁－机转换）和接收器（机－磁转换）等。形状记忆材料：镍钛合金等。其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变液或磁流变液材料、纳米相材料等。

硅的优点：微机械加工技术源于微电子集成制造,所以在微机电系统中，硅是最常用的材料。硅属硬脆材料，同时也有一定的弹性。硅材料常分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅具有良好的机械、物理性质，其机械品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小。多晶硅薄膜与单晶硅有相近的敏感特性、机械特性，它在微机械加工中多用作中间加工层材料。硅具有良好的机电合一特性。它既有足够的机械强度，又有优良的电性能，便于实现机电器件的集成化。硅的加工精度比较高，容易生成绝缘薄膜。硅具有多种优异的传感特性，如压阻效应、霍尔效应等。硅材料质量轻，密度为不锈钢的1/3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍，它具有高的强度密度比和高的刚度密度比。大部分微机械传感器都使用硅制作的另一个重要理由是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级的微元件和微机构，并且可达到极高的加工精度。

3．在制造微机电系统时，其中最主要的环节是框架，主要由哪几种工艺构成的，每一种工艺的条件，制作薄膜有几种工艺，每一种工艺的优缺点。答：标准工艺有体硅工艺和表面工艺。体硅工艺：

1、定义键合区；光刻，刻蚀键槽。

2、扩散参杂；离子注入形成接触区，用于轻掺杂沉底。

3、形成金属电极；光刻，腐蚀玻璃形成浅槽，溅射Ti/Pt/Au，剥离形成金属电极。

4、硅/玻璃阳极键合；双面对准，误差5um。

5、硅片减薄；减薄（80-100um）KOH腐蚀，机械减薄，玻璃面划片。

6、ICP刻蚀；溅射AI，光刻，刻蚀AI，IPC刻蚀Si，释放结构。表面工艺：

1、上层电极；淀积氧化硅，淀积氮化硅，淀积多晶硅，光刻，掩模，刻蚀多晶硅。

2、下层电极：淀积氧化硅，淀积氮化硅，淀积多晶硅，光刻，掩模，刻蚀多晶硅。

3、牺牲层：淀积PSG，光刻，刻蚀PSG。

4、刻蚀支撑点：光刻，刻蚀PSG。

5、淀积多晶硅：点击多晶硅，应力调整。

6、刻蚀多晶硅：光刻，刻蚀多晶硅。

7、释放结构：牺牲层腐蚀，防粘附处理。制作薄膜方法:

1、2、化学沉积：源材料通过化学反应生成所材料沉积到沉底表面。（气相和液相）

物理沉积：源材料直接转移到沉底表面形成薄膜。（通常为气相淀积）

制作薄膜工艺：PVD工艺，CVD工艺； PVD工艺：物理气相沉积（PVD）；

基本原理：在真空状态下，加热源材料，是原子或分子从源材料表面 逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。优点：

设备简单、操作容易、薄膜纯度高、成膜速率快。缺点：

薄膜与衬底附着力小、台阶覆盖差。CVD工艺： 特点：反应物和副产物为气体，成膜速度快，薄膜的成分精确可控，淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好，极佳的台阶覆盖能力，可以获得平滑的沉积表面，CVD某些成膜温度远低于体材料的熔点，可得到高纯度、结晶完全的膜层。

4.如何来制作一个悬臂梁？工艺有哪些？主要考牺牲层工艺。答：

第1 步,在清洗后的硅约束基底上长215 μm厚的PSG膜。

第2 步,利用光刻得到制作覆盖在PSG表面的用于刻蚀PSG膜的掩模1 ,采用等离子干法刻蚀方 法(RIE ,Reactive Ion Etch)刻蚀PSG膜。

第3 步,利用光刻得到制作覆盖在PSG表面的用于沉积氮化硅(SiNx)和铝(Al)膜的掩模2。第4 步,利用掩模2 ,在硅约束基底和PSG膜上长0.5μm 厚的氮化硅(SiNx)膜。第5 步,在氮化硅(SiNx)膜上溅射0.3 μm 厚铝膜,形成双材料梁。

第6 步,最后把余留的光刻胶和其上的Au 一起去除,最后,牺牲层的释放。

工艺：备片，淀积，退火。光刻，刻蚀，去胶，光刻，淀积，退火，溅射，去胶，释放。

MEMS 可变电容的制作工艺中的牺牲层释放

牺牲层技术：是制造表面微机械结构的关键与核心技术,所谓牺牲层技术就是利用不同材料在1 种腐蚀液(或腐蚀气体)中腐蚀速率的巨大差异,选择性的腐蚀去掉结构层薄膜下面的1 层材料(即牺牲层材料),从结构层下面将牺牲层选择性的腐蚀掉,留下的结构层与衬底表面分开(这一步腐蚀牺牲层工艺一般称之为释放),形成了表面距离等于牺牲层厚度的悬空梁结构。牺牲层技术的关键在于牺牲层材料及腐蚀液,要使该腐蚀液对牺牲层腐蚀得很快而对牺牲层上、下方的结构膜材料腐蚀得很慢,二者的腐蚀速率之比越大,机构膜层受影响就越小,实现 的机构就越精确与理想。二 概念题

1．尺寸效应：所谓的尺寸效应是指在经典宏观规律适用的条件下，结构和器件的性能随特征尺度减小发生的变化。

2.微机电系统： 微机电系统是由关键尺寸在亚微米至亚毫米范围内的电子和机械元件组成的器件或系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。

3.凝胶：柔软而具有一定强度，在溶剂中不溶解，加热不熔化的轻度化学交联的聚合物。4.压电材料：压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

5.硅片键合技术：硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。阳极键合阳极键合又称静电键合或场助键合。阳极键合技术可将硅与玻璃、金属及合金在静电场作用下键合在一起，中间勿需任何粘接剂。键合界面具有良好的气密性和长期稳定性。阳极键合技术已被广泛使用。硅与玻璃的键合可公大气或真空环境下完成。键合温度为180一500℃，接近于玻璃的退火点，但在玻璃的熔点(500一900℃)以下。

三 计算题

悬臂梁陈述制作工艺。悬臂梁制作加速度计，测量原理。定量说明梁的弯曲与加速度的关系。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。

梳状驱动电极。静电力梳状驱动电极理论上推导出力和能量之间的关系。

梳状驱动器操作通过使用边缘领域拉一套驱动到其他驱动里。在微机电系统梳状驱动器是其中较为常见的致动器。